Welche Frequenzbereiche für welche Anwendung? So wählen Sie den richtigen Radarsensor zur Füllstandsmessung

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VEGA Grieshaber KG

Emerson Process Management GmbH & Co.OHG

BD|SENSORS GmbH

Flüssigkeiten – heute eine Standardaufgabe

Prinzipiell ist die Messung von Flüssigkeiten recht einfach, da die Füllgutoberfläche im Allgemeinen eben ist und die Radarsignale direkt zum Sensor zurück reflektiert werden. Anders bei Prozessbehältern mit Rührwerken oder Anwendungen, in die Dampf eingeleitet wird: Bei bewegten Oberflächen wird ein Teil des Sendesignals weggespiegelt, und wenn ein Rührwerk Tromben verursacht, wird ein Großteil der Signale zur Seite abgelenkt. Hier ist eine zu starke Fokussierung der Radarsignale nachteilig. Gleichzeitig ist eine genügend große Antenne erforderlich, um bei Lösemitteln ein ausreichendes Empfangssignal zu erhalten.

Kondensat und eventuell auch spritzendes Medium setzten sich am Antennensystem ab und führen zu einer Reflexion und Dämpfung der Mikrowellen. Hier ist die Dicke der Ablagerung immer im Verhältnis zur Wellenlänge der verwendeten Sendefrequenz zu sehen. Aufgrund der kürzeren Wellenlänge bei einer höheren Frequenz hat eine Ablagerung also einen stärkeren Einfluss. In der Praxis bedeutet dies, dass eine 1 mm starke Verschmutzung bei 25 GHz ca. dreimal so dick erscheint wie bei 6 GHz und bei 76 GHz eine ca. zehnmal höhere Dämpfung erzeugt. Noch stärker ist der Einfluss durch Schaum auf der Füllgutoberfläche. Je höher die Frequenz, desto stärker die Dämpfung durch den Schaum. Begründet in der kürzeren Wellenlänge und den dadurch entstehenden Signalverlusten.

Ein guter Mittelweg ist bei Anwendungen in Flüssigkeiten der Frequenzbereich um 25 GHz. Die Geräte verfügen über eine gute Signalfokussierung und sind noch recht unempfindlich gegen Kondensatablagerungen am Antennensystem. Durch die in den vergangenen Jahren deutlich gesteigerte Empfindlichkeit der Geräte bringt sie auch Schaum nicht mehr so schnell außer Tritt, da durch den Schaum hindurch die Füllgutoberfläche erfasst wird.

Schüttgüter – dank innovativer Technik sichere Messergebnisse

Durch die Ausbildung von schrägen Schüttwinkeln wird ein Teil der Radarsignale an der Füllgutoberfläche nach der Seite weggespiegelt und zwar umso mehr, je feiner das Medium ist. Dies bedeutet, dass grobe Schüttgüter deutlich einfacher zu messen sind als sehr feinkörnige Produkte, die sehr gleichmäßige Schüttkegel ausbilden, z.B. Zucker oder Quarzsand. Prinzipiell ist die Körnung des Mediums immer im Verhältnis zur Wellenlänge oder der Frequenz eines Radargerätes zu sehen. Bei einem Sensor, der mit 75 GHz arbeitet, sollte also bei einem Produkt, das um den Faktor 3 feiner ist, eine ähnliche Reflexion entstehen wie bei einem Sensor mit 25 GHz. In der Praxis ist jedoch kaum ein Unterschied zu erkennen, ob man Zement, feinen Zucker oder Quarzsand mit 25 GHz oder 75 GHz misst: die Reflexionssignale sind ähnlich groß.

Der Vorteil von Sensoren mit besonders gut fokussierendem Antennensystem liegt vor allem bei der Messung in Silos mit stark strukturierten Behälterwänden wie segmentierten Silos oder Behältern mit Einbauten und Verstrebungen. Durch die gute Signalbündelung entstehen kaum Störreflexionen, und für die Software ist es einfach, das richtige Signal als Echo auszuwählen.

Auch bei Schüttgütern kann ein etwas größerer Messfleck, also eine breitere Strahlbündelung, von Vorteil sein. Bei groben Schüttgütern wird das Signal an vielen Stellen reflektiert. Dadurch entsteht oft eine stärkere Reflexion als bei einem stärker gebündelten Signal. Außerdem entstehen selten sehr gleichmäßige Schütttrichter oder Schüttkegel, so dass an den unterschiedlichen Strukturen der Füllgutoberfläche ein Teil der Signale reflektiert wird – auch hier hilft ein Antennensystem mit geringerer Signalfokussierung.

Ein wichtiges Thema bei der Messung von Schüttgütern ist der Einfluss von Staub und Staubablagerungen an der Antenne. Prinzipiell werden Mikrowellen vom Staub in der Luft kaum beeinflusst. Bei extremen Staubbelastungen, wie der pneumatischen Befüllung, entstehen Signaldämpfungen, die sich bei hochfrequenten Sensoren in der Signalamplitude bemerkbar machen.

Viel stärker beeinflussten jedoch Staubablagerungen am Antennensystem das Messergebnis. Staub dämpft die Signale umso stärker, je kleiner die Wellenlänge der Sensoren ist – dies bedeutet, dass hochfrequente Sensoren hier deutlich höheren Einflüssen unterworfen sind als Geräte mit niedrigerer Frequenz. Während die Antennensysteme von Sensoren mit 25 GHz oft durch eine einfache Staubabdeckung vor einer starken Verschmutzung geschützt werden können, ist bei 75 GHz-Geräten sehr häufig eine Reinigung des Antennensystems mit Druckluft notwendig. Dies erhöht den Aufwand bei der Installation und führt zu zusätzlichen Kosten während des Betriebes.

Intelligente Software kombiniert mit Erfahrung

In der Praxis zeigt sich, dass jeder Frequenzbereich sowohl Vor- als auch Nachteile aufweist und immer die jeweilige Anwendung betrachtet werden muss. Durch ein umfangreiches Anwendungswissen bei der Erstellung geeigneter Softwarealgorithmen zur Signalanalyse und die einfache Auswahl der richtigen Kriterien anhand der Einsatzbedingungen kann die etwas geringere Signalfokussierung von Radarsensoren mit 25 GHz gegenüber 75 GHz in vielen Fällen mehr als kompensiert werden.

Durch die einfache Auswahl der Füllmedien und deren Konsistenz beim Abgleich der Sensoren sind die Geräte in der Lage, die typischen Echosignale von verschiedenen Anwendungen zu analysieren. Das Ergebnis ist eine sichere Messung bei unterschiedlichsten Medien und Behälterformen, die unabhängig von Verschmutzungen einen dauerhaft wartungsfreien Betrieb gewährleistet.

* Der Autor ist Produktmanager für Radar und Ultraschall bei Vega Grieshaber, Schiltach.

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